控制元件压力阀.ppt

1,第四章控制元件,液压传动,Chapter4控制元件本章主要内容：4.1阀的概述4.2阀心的结构和性能4.3常用液压控制阀4.5其它阀简介,2,第四章控制元件,液压传动,目的任务:,重点难点:,了解液压传动中各种控制元件的功用、工作原理、结构形式和性能特点；掌握主要控制元件的控制机制及其特性分析方法。,换向阀的位、通、滑阀机能的概念；先导式溢流阀的结构、工作原理、特性；减压阀、溢流阀的区别；调速阀的结构、工作原理、特性；各种控制阀符号的含义。,3,第四章控制元件,液压传动,Part4.1阀的概述,阀有三大类：方向阀、压力阀和流量阀。,压力阀和流量阀利用通流截面的节流作用控制系统的压力和流量。方向阀则利用通流通道的更换控制流体的流动方向。,在结构上，所有的阀都由阀体、阀心（座阀或滑阀）和驱使阀心动作的元、部件（如弹簧、电磁铁）组成。在工作原理上，所有阀的开口大小，进、出口间的压差以及流过阀的流量之间的关系都符合孔口流量公式，仅是各种阀控制的参数各不相同而已。,阀是用来控制系统中流体的流动方向或调节其压力和流量的,4,第四章控制元件,液压传动,Part4.3常用液压控制阀,常用的液压控制阀分为三大类方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。,）常见的方向控制阀分为单向阀和换向阀。）常见的压力控制阀按功用可分为溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器。）常用的流量控制阀有节流阀、调速阀、旁通式调速阀（溢流节流阀）等。,5,第四章控制元件,液压传动,Part4.3.2压力控制阀,表4-10压力控制阀的分类,常用的压力控制阀的类型如表4-10所示。,溢流阀减压阀顺序阀平衡阀压力继电器,6,溢流阀1）直动式溢流阀滑阀型锥阀型球阀型2）先导式溢流阀,7,第四章控制元件,液压传动,1.溢流阀,图4-22直动式滑阀型溢流阀1调节螺母2弹簧3上盖4阀心5阀体,（1）直动式溢流阀图4-22所示为直动式滑阀型溢流阀的结构及其图形符号。压力油从进口P进入阀后，经孔f和阻尼孔g后作用在阀心4的底面c上。当进口压力较低时，阀心在弹簧2预调力作用下处于最下端，由底端螺母限位。由阀心与阀体5构成的节流口有重叠量l将P与T口隔断，阀处于关闭状态。,当进口P处压力升高至作用在阀心底面上液压力大于弹簧预调力时，阀心开始向上运动。当阀心上移重叠量l时，阀口处于开启的临界状态。若压力继续升高至阀口打开，油液从P口经T口溢流回油箱。此时，由于溢流阀的作用，在流量变化时，进口压力能基本保持恒定。,图4-22中L为泄漏油口。图示回油口T与泄漏油流经的弹簧腔相通，L口堵塞，称为内泄。内泄时回油口T的背压将作用在阀心上端面，这时与弹簧力相平衡的将是进出油口压差。若将泄漏油腔与T口的连接通道e堵塞，将L口打开，直接将泄漏油引回油箱，这种连接方式称外泄。,8,第四章控制元件,液压传动,直动式滑阀型溢流阀当压力较高、流量较大时，要求调压弹簧有很大的力，这不仅使调节性能变差，弹簧设计和结构上也难以实现而且阀口虽有重叠量，滑阀仍存在泄漏因而难以实现很高的压力控制，因而这种阀一般用于低压小流量场合，目前已较少应用。,直动式溢流阀,9,第四章控制元件,液压传动,图4-23所示为直动式锥阀型和球阀型溢流阀的结构。节流口密封性能好，不需重叠量，可直接用于高压大流量场合。,图4-23a所示高压大流量直动式溢流阀锥阀型结构的最高压力、流量分别可达40MPa和300L/min，图4-23b所示的球阀型结构的最高压力、流量可达63MPa和120L/min。,图4-23高压大流量直动式溢流阀a）锥阀型b）球阀型,10,先导式溢流阀,结构由先导阀和主阀组成。先导阀实际上是一个小流量直动型溢流阀，其阀芯为锥阀。主阀芯上有一阻尼孔，且上腔作用面积略大于下腔作用面积，其弹簧只在阀口关闭时起复位作用。图形符号,11,第四章控制元件,液压传动,（2）先导式溢流阀先导式溢流阀按其主阀心不同有三种典型结构形式，即一级、二级和三级同心式。,二级同心式先导溢流阀如图4-24所示，主阀心1上部受压面积略大于下部，当阀P口压力较低先导阀心4未开启时，作用在主阀心上液压力合力方向与弹簧3作用力相同，使阀关闭。,图4-24二级同心式先导溢流阀1主阀心2阻尼孔3主阀弹簧4先导阀心5先导阀弹簧6调压手轮7螺堵,阀有两个阻尼孔2和8，一个在主阀心上，另一个在先导阀座上。当阀P口的压力增加时，使阻尼孔2，流道a、动态阻尼孔8及先导阀心前容腔的压力相应增加，而能克服先导阀弹簧预调力使先导阀开启，就有液流从P口经阻尼孔2、流道a、阻尼孔8、开启的先导阀和通道b流到T口。此流量将在阻尼孔2两端产生压差。,压差作用在主阀心上下面积上的合力正好与主阀弹簧力平衡时，主阀心处于开启的临界状态。当P口的压力再稍稍增加，而使流经阻尼孔的流量再稍稍增大，阻尼孔2两端压力之差克服主阀弹簧力使主阀打开，这时从P口输入流量将分成两部分，少量流量经先导阀后流向出油口T，大部分则经主阀节流口流向T口。,经主阀节流口的流量便在进油口P建立压力。因流经先导阀的流量极小，所以主阀心上腔的压力基本上和由先导阀弹簧预调力所确定的先导阀心前容腔压力相等，而主阀上阻尼孔2两端用以打开主阀心的压差，仅须克服主阀弹簧的作用力、主阀心重力及液动力等，也并不很大，所以可以认为溢流阀进口处压力基本上也由先导阀弹簧预调力所确定。在溢流阀的主阀心升起且有溢流作用时，溢流阀进口处的压力便可维持由先导阀弹簧所调定的定值。,先导式溢流阀中流经先导阀的油液可内泄（如图4-24所示），也可外泄。外泄时，可将先导阀口油单独引回油箱，而将先导阀回油口与主阀回油口T的连接通道b堵住。,12,第四章控制元件,液压传动,图4-24二级同心式先导溢流阀1主阀心2阻尼孔3主阀弹簧4先导阀心5先导阀弹簧6调压手轮7螺堵,阀体上有一个远程控制口K，当将此口通过二位二通阀接通油箱时，主阀心上腔的压力接近于零，主阀心在很小的压力下即可向上移动且阀口开得最大，这时泵输出的油液在很低的压力下通过阀口流回油箱，实现卸荷作用。如果将K口接到另一个远程调压阀上（其结构和溢流阀的先导阀一样）并使打开远程调压阀的压力小于打开溢流阀先导阀心4的压力，则主阀心上腔的压力（从而溢流阀的溢流压力）就由远程调压阀来决定。使用远程调压阀后，便可对系统的溢流压力实行远程调节。,13,先导式溢流阀原理：（三级同心式）,14,第四章控制元件,液压传动,特性,当溢流阀稳定工作时，作用在阀心上的力相互平衡。以图4-22所示的直动式溢流阀为例，如令p为进口处的压力（稳态下它就是阀心底端的压力），A为阀心承压面积，Fs为弹簧作用力，Fg为阀心重力，Fbs为作用在阀心上的轴向稳态液动力，Ff为摩擦力，则当阀垂直安放时，阀心上的受力平衡方程为,（4-8）,在一般情况下，略去阀心自重和摩擦力，将式（4-1）代入上式，令xR表示溢流阀的开度，略去Cr不计，且取Cv=1则有,（4-9）,15,第四章控制元件,液压传动,可见溢流阀进口处的压力是由弹簧力决定的。如忽略稳态液动力，且假设弹簧力Fs变化相当小，则由式（4-9）可知溢流阀进口处的压力基本上维持由弹簧调定的定值。然而，在弹簧力调整好之后，因溢流阀流量变化，阀口开度xR的变化影响弹簧压紧力和稳态液动力，所以溢流阀在工作时进口处的压力还是会发生变化的。,如令xc为弹簧调整时的预压缩量，ks为弹簧刚度，则由式（4-9）有,（4-10）,当溢流阀开始溢流时（即阀口将开未开时），xR=0，这时进口处的压力pc称为溢流阀的开启压力，其值为,（4-11）,16,第四章控制元件,液压传动,当溢流阀开始溢流时（即阀口将开未开时），xR=0，这时进口处的压力pc称为溢流阀的开启压力，其值为,（4-11）,当溢流量增加时，阀心上升，阀口开度加大，p值亦加大。当溢流阀通过额定流量qn时，阀心上升到相应位置，这时进口处的压力pT称为溢流阀的调定压力或全流压力。,全流压力与开启压力之差称为静态调压偏差；开启压力与全流压力之比称为开启比（1）。溢流阀的开启比越大，所控制的系统压力便越稳定。,17,第四章控制元件,液压传动,溢流阀溢流时通过阀口的流量q可以由第一章的式（1-92）求出，在考虑了式（4-10）、式（4-11）和等式A0=xR，并因溢流阀的回油口接通油箱，p=p，便有如下公式：,（4-2）,18,第四章控制元件,液压传动,直动式溢流阀的“压力一流量”特性方程,图4-25溢流阀的特性曲线,根据特性方程画出来的曲线称为溢流特性曲线，如图4-25所示。溢流阀的理想溢流特性曲线最好是一条在pT处平行于流量坐标的直线，即仅在p达到pT时才溢流，且不管溢流量多少，压力始终保持在pT值上。实际溢流阀的特性不可能是这样的。而只能要求它的特性曲线尽可能接近这条理想曲线。,19,第四章控制元件,液压传动,对先导式溢流阀来说，对应于式（4-9）的公式为,（4-3）,式中，p为主阀心上端的压力，其值由先导阀弹簧的压紧力决定；其余符号意义同前。,当先导阀弹簧调整好之后，在溢流时主阀心上端的压力p便基本上是个定值，此值与p值很接近（两者间之差值为油液通过阻尼孔的压降），所以主阀弹簧力Fs只要能克服阀心的摩擦力就行，主阀弹簧可以做得较软。当溢流量变化引起主阀阀心位置变化时，Fs值变化较小，因而p的变化也较小。为此先导式溢流阀的开启比通常都比直动式的大，即静态调压偏差比直动式的小（见图4-25）。,20,第四章控制元件,液压传动,溢流阀的阀心在工作中受到摩擦力的作用，阀口开大和关小时的摩擦力方向刚好相反，因此阀在工作时不可避免地会出现粘滞现象，使阀开启时的特性和闭合时的特性产生差异。图4-25中的实线表示其开启特性，而虚线则表示其闭合特性。在某一溢流流量时，这两曲线纵坐标（即压力）的差值，即是不灵敏区（压力在此差值范围内变动时，阀心不起调节作用）。不灵敏区使受溢流阀控制的系统的压力波动范围增大。先导式溢流阀的不灵敏区比直动式溢流阀的小。,关于溢流阀的启闭特性，目前有如下规定：先把溢流阀调到全流量时的额定压力，在开启过程中，当溢流量加大到额定流量的1%时，系统的压力称为阀的开启压力。在闭合过程中，当溢流量减小到额定流量的1%时，系统的压力称为阀的闭合压力。为了保证溢流阀具有良好的静态特性，一般说来，阀的开启压力和闭合压力对额定压力之比分别不应低于85%和80%。,21,第四章控制元件,液压传动,当溢流阀的溢流量由零到额定流量发生阶跃变化时，其进口压力将如图4-26所示迅速升高并超过其调定压力值，然后逐步衰减并稳定在调定压力值上。这过程即为溢流阀的动态特性。,图4-26溢流阀的动态特性,溢流阀的动态特性,22,压力稳定性：压力在调定值之间变化压力超调：最大峰值压力与调定压力直之间差值过渡时间：压力上升达到稳定调定值所需时间,动态特性：进口压力突变时，压力与时间之间的关系。,必须说明的是：溢流阀的阶跃响应不仅反映阀本身的性能，而在很大程度上还受系统参数如阀前容腔大小和油的等效体积模量（与钢管、橡胶软管等管道材料及油中含气量等有关）的影响。,23,第四章控制元件,液压传动,评价溢流阀阶跃响应指标主要有：,1）压力超调量系最大峰值压力和调定压力之差p与阀的调定压力pT比的百分值，即p/pT100%。性能良好的溢流阀的压力超调量一般应小于30%。2）压力上升时间压力开始上升第一次达到调定压力值所需时间t1，它反映阀的快速性。3）过渡过程时间压力开始上升到最后稳定在调定压力pT5%pT所需时间t2。4）压力卸荷时间压力由调定压力降到卸荷压力所需的时间t3。,24,第四章控制元件,液压传动,溢流阀的主要用途有：,1）作溢流阀，溢流阀有溢流时，可维持阀进口亦即系统压力恒定。2）作安全阀，系统超载时，溢流阀才打开，对系统起过载保护作用，而平时溢流阀是关闭的。3）作背压阀，溢流阀（一般为直动式的）装在系统的回油路上，产生一定的回油阻力，以改善执行元件的运动平稳性。4）用先导式溢流阀对系统实现远程调压或使系统卸荷。,25,溢流阀的应用,溢流阀旁接在泵的出口，用来限制系统压力的最大值，对系统起保护作用，称为安全阀。,电磁溢流阀还可以在执行机构不工作时使泵卸载。,溢流阀旁接在泵的出口，用来保证系统压力恒定，称为调压阀。,溢流阀接在执行元件的出口，用来保证系统运动平稳性，称为背压阀,26,第四章控制元件,液压传动,2.减压阀,减压阀分定值、定差和定比减压阀三种，其中最常用的是定值减压阀。如不指明，通常所称的减压阀即为定值减压阀。,功用和要求,在同一系统中，往往有一个泵要向几个执行元件供油，而各执行元件所需的工作压力不尽相同的情况。若某执行元件所需的工作压力较泵的供油压力低时，可在该分支油路中串联一减压阀。油液流经减压阀后，压力降低，且使其出口处相接的某一回路的压力保持恒定。这种减压阀称为定值减压阀。,对减压阀的要求是：出口压力维持恒定，不受进口压力、通过流量大小的影响。,27,第四章控制元件,液压传动,工作原理和结构,减压阀也有直动式和先导式两种，每种各有二通和三通两种型式。,当阀心处在原始位置上时，它的阀口a是打开的，阀的进、出口沟通。这个阀的阀心由出口处的压力控制，出口压力未达到调定压力时阀口全开，阀心不动。当出口压力达到调定压力时，阀心上移，阀口开度xR关小。如忽略其他阻力，仅考虑阀心上的液压力和弹簧力相平衡的条件，则可以认为出口压力基本上维持在某一定值（调定值）上。,图4-27直动式减压阀工作原理,28,第四章控制元件,液压传动,工作原理和结构,减压阀也有直动式和先导式两种，每种各有二通和三通两种型式。,这时如出口压力减小，阀心下移，阀口开度xR开大，阀口处阻力减小，压降减小，使出口压力回升，达到调定值。反之，如出口压力增大，则阀心上移，阀口开度xR关小，阀口处阻力加大，压降增大，使出口压力下降，达到调定值。,图4-27直动式减压阀工作原理,29,先导式减压阀原理,减压阀,减压阀是利用液流流过缝隙产生压力损失，使其出口压力低于进口压力的压力控制阀。按调节要求不同，有定值减压阀，定差减压阀，定比减压阀。其中定值减压阀应用最广，又简称减压阀。,30,第四章控制元件,液压传动,图4-28所示为直动式三通减压阀（带单向阀）的结构和图形符号。图中P1口为一次压力油口，P2口为二次压力油口，T为回油口，弹簧腔泄漏油口Y和T口相通（内泄）。,图4-28直动式三通减压阀,31,第四章控制元件,液压传动,三通与二通减压阀减压的工作原理基本相似，其主要区别是：前者有两个可变节流阀口，因此在工作腔P2中无任何负载流量时能正常工作，而后者的负载腔内必须有流量时才能正常工作；此外，三通减压阀的二次压力油口流入反向流量时也可起恒压作用，此时的功能相当于溢流阀，因此三通减压阀又称溢流减压阀。,32,第四章控制元件,液压传动,图4-29先导式减压阀,图4-29所示为先导式减压阀，它的工作原理可仿照图4-27以及先导式溢流阀来进行分析。,33,第四章控制元件,液压传动,1）减压阀保持出口处压力基本不变，而溢流阀保持进口处压力基本不变。2）在不工作时，减压阀进出口互通，而溢流阀进出口不通。3）为保证减压阀出口压力调定值恒定，它的先导阀弹簧腔需通过泄油口单独外接油箱；而溢流阀的出油口是通油箱的，所以它的先导阀弹簧腔和泄漏油可通过阀体上的通道和出油口接通，不必单独外接油箱（当然也可外泄）。,先导式减压阀和先导式溢流阀有以下几点不同之处：,34,第四章控制元件,液压传动,性能,35,第四章控制元件,液压传动,在使用ks很小的弹簧，且考虑到xRxc时，则,（4-7）,图4-30减压阀的特性曲线,减压阀的p2-q特性曲线如图4-30所示。减压阀进口压力p1基本恒定时，若通过的流量q增加，则阀口缝隙xR加大，出口压力略微下降。先导式减压阀出油口压力的调整值越低，它受流量变化的影响就越大。,当减压阀的出油口处不输出油液时，它的出口压力基本上仍能保持恒定，此时有少量的油液通过减压阀开口经先导阀和泄油管流回油箱，保持该阀处于工作状态。,36,第四章控制元件,液压传动,应用,减压阀主要用在系统的夹紧、电液换向阀的控制压力油、润滑等回路中。而三通减压阀还可用在有反向冲击流量的场合。必须指出，应用减压阀必有压力损失，这将增加功耗和使油液发热。当分支油路压力比主油路压力低很多，且流量又很大时，常采用高、低压泵分别供油，而不宜采用减压阀。,37,减压回路,减压阀的应用,减压阀用在液压系统中获得压力低于系统压力或使出口压力稳定的二次油路上，如夹紧回路、润滑回路和控制回路。必须说明，减压阀出口压力还与出口负载有关，若负载压力低于调定压力时，出口压力由负载决定，此时减压阀不起减压作用。,稳压回路,38,第四章控制元件,液压传动,其他减压阀,定差减压阀和定比减压阀。主要用来和其他阀组成组合阀，如定差减压阀可保证节流阀进出口间的压差维持恒定，这种减压阀和节流阀串联连接组成的调速阀，其工作原理将在后面提及。图4-31所示为定比减压阀的结构原理图。定比减压阀的进口压力和出口压力之比维持恒定。,图4-31定比减压阀,39,第四章控制元件,液压传动,应用,阀心在稳态下的力平衡方程：,（4-8）,图4-31定比减压阀,式中p1、p2进口、出口压力；A1、A2阀心面积；xR阀口开度；xc阀口关闭，即xR=0时的弹簧预压缩量；ks弹簧刚度。,40,第四章控制元件,液压传动,弹簧力很小可忽略，则有,（4-9）,由式（4-19)可见，在A1/A2一定时，该阀能维持进、出口压力间的定比关系，而改变阀心的压力作用面积A1、A2，便可得到不同的压力比。,图4-31定比减压阀,41,第四章控制元件,液压传动,3.顺序阀,顺序阀用来控制多个执行元件的顺序动作。通过改变控制方式、泄油方式和二次油路的接法，顺序阀还可具有其他功能，如作背压阀、平衡阀或卸荷阀用。,工作原理和结构,顺序阀也有直动式和先导式之分，根据控制压力来源的不同，它有内控式和外控式之分；根据泄油方式，它有内泄式和外泄式两种。,42,第四章控制元件,液压传动,直动式内控外泄顺序阀的工作原理,图4-32顺序阀的工作原理a）结构b）内控外泄式顺序阀符号c）外控外泄式顺序阀符号,图4-32所示为直动式内控外泄顺序阀的工作原理。泵起动后，油源压力p1克服负载使液压缸运动。当p1口压力升高至作用在柱塞A下端面积上的液压力超过弹簧预调力时，阀心便向上运动，使p1口和p2口接通。油源压力经顺序阀口后克服液压缸的负载使活塞运动。这样利用顺序阀实现了液压缸和的顺序动作。,43,第四章控制元件,液压传动,顺序阀的结构与溢流阀相似。两者主要差别是：,顺序阀的出口通常与负载油路相通，而溢流阀的出口则与回油相通，因此顺序阀调压弹簧中的泄漏油和先导控制油必须外泄，否则无法开启；而溢流阀的泄漏油和先导控制油可内泄也可外泄。此外，溢流阀的进口压力调定后是不变的，而顺序阀的进口压力在阀开启后将随出口负载增加而进一步升高。,若将图4-32a的下部阀盖转动180，并将外控口K的螺堵卸去，便成为外控式。为减少弹簧刚度以使开启后进、出口压力尽可能接近，该阀采用截面积较小的柱塞A。阀心中空以使阀心下端的泄漏油经弹簧腔外泄。,44,第四章控制元件,液压传动,内控式顺序阀在其进油路压力p1达到阀的设定压力之前，阀口一直是关闭的，达到设定压力后阀口才开启，使压力油进入二次油路，驱动另一个执行元件工作。外控式顺序阀阀口的开启与否和一次油路处来的进口压力没有关系，仅决定于控制压力的大小。直动式顺序阀结构简单，动作灵敏，但由于弹簧和结构设计的限制，虽可采用小直径柱塞，弹簧刚度仍较大，因此调压偏差大且限制了压力的提高，调压范围一般小于8MP，较高压力时宜采用先导式顺序阀。,45,第四章控制元件,先导式顺序阀,图4-33先导式顺序阀1阀体2阀心3阻尼孔4盖板,图4-33所示为先导式顺序阀，图示为内控式，也可变成外控式。其先导控制油必须经L口外泄。采用先导控制后，主阀弹簧刚度可大为减小，主阀心面积则可增大，故启闭特性显著改善，工作压力也可大大提高。先导式顺序阀的缺点是当阀的进口压力因负载压力增加而增大时，将使通过先导阀的流量随之增大，引起功率损失和油液发热。,46,第四章控制元件,先导式顺序阀,性能,顺序阀的主要性能和溢流阀相仿。此外，顺序阀为使执行元件准确地实现顺序动作，要求阀的调压偏差小，因而调压弹簧的刚度小一些好。另外，阀关闭时，在进口压力作用下各密封部位的内泄漏应尽可能小，否则可能引起误动作。,应用,1）控制多个执行元件的顺序动作。2）与单向阀组成平衡阀，保持垂直放置的液压缸不因自重而下落。3）用外控顺序阀可在双泵供油系统中，当系统所需流量较小时，使大流量泵卸荷。卸荷阀便是由先导式外控顺序阀与单向阀组成的。4）用内控顺序阀接在液压缸回油路上，产生背压，以使活塞的运动速度稳定。,47,第四章控